碳纖維復合材料的應用和展望

彭鶴軒

（天津大學 材料學院，天津 110004）

1 碳纖維復合材料作用于汽車工業當中

可持續發展是目前值得重視的問題，汽車的節能減排非常有必要，利用碳纖維復合材料等輕質的材料可以達到汽車輕量化的效果。最近這些年，能源危機每況愈下，各個國家的排放法規也慢慢嚴格起來，在保證安全和動力的前提之下，降低油量的消耗以及減少排放是目前汽車工業當中值得解決的問題。利用各種輕質材料替代金屬等傳統的材料，讓汽車輕量化，這是做到節能減排的一個重要方法。碳纖維復合材料是國家高科技產業發展當中的重要材料也是關鍵材料，碳纖維復合材料有輕質、高強度、高剛度、耐得住腐蝕等優勢，越來越被汽車工業所重視。

與金屬材料相比較，碳纖維復合材料有很多優點，在汽車工業上加以利用會有很多益處。碳纖維復合材料的密度小而且強度高，在車身和底盤等地方進行應用能夠減少車重而且同時不損失強度和剛度，保證車輛的安全指數。較強的韌性，使其具備高抗沖擊能力和吸收能量能力，有利于提升車輛的碰撞安全性能。較高的抗振性能，可以用于車身、發動機和傳動系統，有很好的減震和隔音的作用，讓乘客和駕駛員更加舒適。它還有耐熱、耐腐蝕和抗輻射的特點，車輛具備較好的性能。碳纖維復合材料在車輛當中的應用，能夠實現車輛的輕量化，也能夠提高車輛的安全性和舒適程度。

在車身、底盤和承受力量的部位進行應用，能夠在確保車輛安全的同時為車輛減重，在各種應用到汽車制造的材料當中，碳纖維復合材料是最輕的，尤其是與鋼鐵進行比較，碳纖維復合材料在重量上有更大的優勢。美國的一家汽車公司在1992年就展示了利用碳纖維復合材料制造出的超輕車輛，車身的質量為191 kg，這種車輛整體的質量降低68%，節油40%。2003年，戴姆勒克萊斯勒公司研制出一輛在擋板支架采用了碳纖維復合材料的跑車，每一個支架的質量僅僅只有1.93 kg，4個復合部件總共的重量為6.1 kg，與金屬制造的擋板支架系統相比較，質量減少了18 kg，而剛度提高了22%。除了這些，碳纖維復合材料作為輕質高強的材料，還可以運用在高強度承力的結構件上面，比如減震彈簧片等。

碳纖維復合材料的可靠、耐久、強度等特點，都決定著它有很大的使用價值。日本近幾年在制造汽車渦輪增壓器氣機葉輪時開始用碳纖維復合材料取代鋁合金，將葉輪的質量降低了48%，使轉子慣量降低，提高加速性能，這在很大程度上縮短了渦輪增壓器的響應滯后時間，在對碳纖維進行了處理之后，很大幅度地提高了碳纖維復合材料的強度，這也是碳纖維在發動機中應用的一個很好的范例。與金屬材料相比較，使用碳纖維復合材料，可以省去復雜的金屬模具、沖壓、焊接以及噴涂時的資源消耗，用碳纖維復合材料代替金屬工藝的車身，大大降低了成本，體現了碳纖維復合材料的經濟特點，也強調了環保車輛的開發。

2 碳纖維復合材料在航空航天中的應用

碳纖維一般不是單獨使用，而是以復合材料的形式被使用。碳纖維經過樹脂固化變成新的材料，受力的是碳纖維，樹脂在其中起到粘接的用途。就好比鋼筋混凝土，鋼筋來承受力量，而混凝土的作用則是傳力黏結，起到保護鋼筋的效果。在20世紀四五十年代，國外就開始對碳纖維及其復合材料進行探究研究。二戰之后，美國、日本和德國對于碳纖維復合材料的研究也非常深入。我國對于碳纖維復合材料的研究長達30年。2008年，關于T300級碳纖維工業化生產流程的關鍵技術得到了突破，已經基本實現了國產化，部分產品能夠替代進口產品。如今，T700級的碳纖維還沒有大規模投入生產，T800碳纖維也在研究階段，我國對于碳纖維及其復合材料的研究與國外相比，有著20～30年的差距。碳纖維首先被用于航空航天方面是在20世紀七八十年代，但是運用的范圍很小，量也非常小，直到進入20世紀90年代中期，第三代航空裝備和載人航天項目開始實施的時候，碳纖維復合材料才得到了更多運用。但由于國內缺少材料，需要依靠國外進口。直到2008年，我國啟動大飛機項目，碳纖維復合材料的生產在國內才有了快速發展的趨勢。雖然我國對于碳纖維復合材料的研究和利用與國外還有差距，但是我國的追趕速度和發展非常快，預計再過十幾年，我國就可以趕上國外的研究和運用程度。

航空航天可以說是一個對于碳纖維進行運用的國際傳統市場，最先得到運用的是航天領域，美國等發達國家依次先后開發出了碳纖維-酚醛防熱復合材料、耐高溫碳纖維復合材料等一系列的產品，碳纖維復合材料在其中主要運用于受力部分、耐熱的部位，比如，火箭發動機的外殼、火箭發動機的噴管、火箭箭體等結構。然后，在航空領域也開始運用碳纖維復合材料，首先主要用于軍用飛機的非受力的部分，比如，舵面、整流罩等地方，接著隨著發展，碳纖維復合材料被用于大的非承力部位，比如整個舵面、機頭、機身以及機翼等部分。

國外的碳纖維復合材料在戰斗機、無人機以及直升機上面也有很多的運用，其用量已經達到或者是超過了機身總質量的50%，在軍事飛機上的運量也達到了總質量的30%。波音747“夢幻航線”和空客A350XWB寬體客機上都運用到了碳纖維復合材料，其中此結構件質量也已經達到了總重量的50%。

我國在航空和航天領域對碳纖維復合材料的運用有不同之處，我國對于碳纖維復合材料的運用在航天領域發展得比較快，這與我國的探究歷史也有著一定的關系。我國的航天器，比如火箭、衛星等使用周期短，碳纖維復合材料結構比重比較大，約占到20%，與國外的探究和運用水平達到了齊平的地步。我國對于碳纖維復合材料在航空航天領域的研究機構，主要以研究高校為主，比如，北航、南航、哈工大等，主要負責碳纖維復合材料研究應用的工作。產業化方面做得比較好的是中航復材。隨著進一步發展，國家戰略需求對這方面材料的不斷增大，相關的民營企業也加入到碳纖維復合材料的探究和生產當中，其中有江蘇桓神、四川新萬興等企業的加入，形成了激烈的市場競爭，相信碳纖維復合材料的研究和利用能夠得到更好的發展。

3 碳纖維復合材料在高速動車組當中的利用

世界化經濟貿易往來越來越頻繁，城鎮化水平也在一步步提高，這些都推動了我國高速鐵路產業的快速發展。世界高速鐵路的發展達到了一種空前的規模。我國的高速列車運營里程和列車擁有量目前在世界上占到50%以上。隨著泰國、俄羅斯等國家高速列車項目的依次啟動，高速列車的市場進入了一個新的發展時期，需求變得更大。為軌道交通技術的進步以及新技術、新材料的推廣和應用都產生了一個良好的機遇。隨著世界對于高速列車的不斷完善和改進，用戶們對于個性化的定制要求也呈現出一種多樣化的發展趨勢，用戶們在對車輛速度進行要求的同時，也開始注意到列車的服務，比如，列車的環保節能方面、列車的舒適便捷方面等。利用金屬材料制造的傳統列車在提高速度的同時，也產生了強烈沖擊、振動、噪音等問題，并且面對高原、高溫、沙漠等不利環境的時候，金屬材料制作的列車應對這些情況的能力較弱。鋁合的列車車體存在不耐腐蝕、不易焊接等缺點，不銹鋼的車體存在封閉、焊接易變形等缺點，碳鋼車存在易腐蝕、非輕量化等缺點。這些傳統的制造材料都不能滿足現在的市場需求，不僅是因為危險性高，而且制作時技術要求也比較高。

碳纖維復合材料是一種性質穩定、值得利用的材料，它擁有更小的密度，在輕量化方面有很大的優勢；拉伸強度也比較強，可以滿足列車制造的各種要求。碳纖維復合材料的研制和運用首先要能夠保證其穩定的性能和產能。就目前產業現狀分析，國外對于碳纖維復合材料的利用更加成熟，材料也充足。國內對于碳纖維復合材料的運用正處在一個發展時期，部分材料研發水平達到國際標準。但部件的產業鏈不夠完善，學習先進的技術，實現國產化產業鏈，合作并舉是一個很好的方法。目前，日本、韓國以及歐洲國家在高速動車組對碳纖維復合材料進行應用方面已經取得了不少的成績。

4 結語

碳纖維復合材料在以上三大方面的應用中要有效穩固地展開實施，才能不斷提高我國材料行業的系統化水平，促進我國碳纖維應用手段的提升，使碳纖維領域的發展前景更加光明。